[论文解读] A 0.042 mm^2 programmable biphasic stimulator for cochlear implants suitable for a large number of channels

Wannaya Ngamkham, Marijn N. van Dongen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2015

Neuroscience and Neural Engineering参考文献 20被引用 6

一句话总结

本论文提出了一款0.042 mm²的可编程双相刺激器，用于人工耳蜗植入物，采用双回路负反馈和两级二进制加权晶体管DAC，实现高输出阻抗与低功耗。该设计无需直流隔直电容即可实现电荷平衡刺激，显著减小面积，支持大量刺激通道的集成。

ABSTRACT

This paper presents a compact programmable biphasic stimulator for cochlear implants. By employing double-loop negative feedback, the output impedance of the current generator is increased, while maximizing the voltage compliance of the output transistor. To make the stimulator circuit compact, the stimulation current is set by scaling a reference current using a two stage binary-weighted transistor DAC (comprising a 3 bit high-voltage transistor DAC and a 4 bit low-voltage transistor DAC). With this structure the power consumption and the area of the circuit can be minimized. The proposed circuit has been implemented in AMS 0.18um high-voltage CMOS IC technology, using an active chip area of about 0.042mm^2. Measurement results show that proper charge balance of the anodic and cathodic stimulation phases is achieved and a dc blocking capacitor can be omitted. The resulting reduction in the required area makes the proposed system suitable for a large number of channels.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、低功耗的刺激器，用于人工耳蜗植入物，能够支持大量刺激通道。
• 解决在保持精确电流控制和电荷平衡的同时最小化芯片面积的挑战。
• 通过确保刺激波形的固有电荷平衡，消除对笨重直流隔直电容的需求。
• 通过创新的电流生成和DAC架构，降低功耗和面积。

提出的方法

• 采用双回路负反馈以提高输出阻抗，并最大化输出晶体管的电压摆幅。
• 通过3位高压和4位低压两级结构的二进制加权晶体管DAC实现参考电流的缩放。
• 设计电流发生器以实现精确、可编程的刺激电流，同时最小化面积和功耗。
• 采用AMS 0.18 µm高压CMOS工艺制造电路，有效面积仅为0.042 mm²。
• 针对电荷平衡的双相刺激进行优化，防止组织损伤，并消除对外部直流隔直电容的需求。
• 将刺激器集成于紧凑的版图中，适用于高通道数人工耳蜗植入系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在极小面积和低功耗下实现精确、电荷平衡的双相刺激，用于人工耳蜗植入物？
• RQ2 在小于0.05 mm²的面积内，如何最大化输出阻抗并改善电压摆幅？
• RQ3 在可编程刺激器中，是否可能在保持电荷平衡的同时消除直流隔直电容？
• RQ4 何种DAC架构可在高压CMOS工艺中实现高分辨率电流控制，同时最小化面积和功耗？
• RQ5 单通道刺激器能否高效扩展，以支持人工耳蜗植入系统中的大量通道？

主要发现

• 该刺激器无需直流隔直电容即可实现电荷平衡的双相刺激，降低了系统复杂度和面积。
• 芯片有效面积仅为0.042 mm²，使其非常适用于高通道数人工耳蜗植入系统。
• 双回路反馈结构成功提高了输出阻抗，并改善了输出晶体管的电压摆幅。
• 两级二进制加权DAC实现了精确的电流控制，同时面积小、功耗低。
• 测量结果证实，该刺激器在阳极和阴极相位均能保持良好的电荷平衡。
• 该设计显著降低了功耗和芯片面积，为未来多通道人工耳蜗植入系统提供了可扩展的实现方案。